تكثيف الحمض النووي
يشير تكثيف الحمض النووي إلى عملية ضغط جزيئات الحمض النووي في المختبر أو في الجسم الحي . [1] التفاصيل الميكانيكية لضغط الحمض النووي ضرورية لعمله في عملية تنظيم الجينات في الأنظمة الحية. غالبًا ما يكون للحمض النووي المكثف خصائص مدهشة، والتي لا يمكن للمرء أن يتوقعها من المفاهيم الكلاسيكية للمحاليل المخففة. لذلك، يعمل تكثيف الحمض النووي في المختبر كنظام نموذجي للعديد من عمليات الفيزياء والكيمياء الحيوية وعلم الأحياء . [ 2] بالإضافة إلى ذلك، فإن تكثيف الحمض النووي له العديد من التطبيقات المحتملة في الطب والتكنولوجيا الحيوية . [1]
يبلغ قطر الحمض النووي حوالي 2 نانومتر، في حين أن طول الجزيء المفرد الممتد قد يصل إلى عدة عشرات من السنتيمترات اعتمادًا على الكائن الحي. تساهم العديد من ميزات الحلزون المزدوج للحمض النووي في صلابته الكبيرة، بما في ذلك الخصائص الميكانيكية للعمود الفقري للسكر والفوسفات، والتنافر الكهروستاتيكي بين الفوسفات (يحمل الحمض النووي في المتوسط شحنة سالبة أولية واحدة لكل 0.17 نانومتر من الحلزون المزدوج )، وتفاعلات التكديس بين قواعد كل خيط فردي، وتفاعلات خيط-خيط. الحمض النووي هو أحد أكثر البوليمرات الطبيعية صلابة، ومع ذلك فهو أيضًا أحد أطول الجزيئات. طول ثبات الحمض النووي مزدوج السلسلة (dsDNA) هو مقياس لصلابته أو مرونته، والذي يعتمد على تسلسل الحمض النووي والبيئة المحيطة، بما في ذلك عوامل مثل تركيز الملح ودرجة الحموضة ودرجة الحرارة. في ظل الظروف الفسيولوجية (على سبيل المثال، درجة الحموضة شبه المحايدة وتركيزات الأملاح الفسيولوجية)، يبلغ طول ثبات الحمض النووي ثنائي الترابط عمومًا حوالي 50 نانومتر، وهو ما يتوافق مع ما يقرب من 150 زوجًا من القواعد. [1] وهذا يعني أنه على مسافات كبيرة يمكن اعتبار الحمض النووي حبلًا مرنًا، وعلى نطاق قصير كقضيب صلب. مثل خرطوم الحديقة، فإن الحمض النووي غير المضغوط سيشغل عشوائيًا حجمًا أكبر بكثير مما لو كان معبأ بشكل منظم. رياضيًا، بالنسبة لسلسلة مرنة غير متفاعلة تنتشر عشوائيًا في الأبعاد الثلاثية، فإن المسافة من النهاية إلى النهاية ستتناسب مع الجذر التربيعي لطول البوليمر. بالنسبة للبوليمرات الحقيقية مثل الحمض النووي، فإن هذا يعطي تقديرًا تقريبيًا للغاية فقط؛ المهم هو أن المساحة المتاحة للحمض النووي في الجسم الحي أصغر بكثير من المساحة التي سيشغلها في حالة الانتشار الحر في المحلول. للتعامل مع قيود الحجم، يمكن للحمض النووي أن يحزم نفسه في ظروف المحلول المناسبة بمساعدة الأيونات والجزيئات الأخرى. عادةً ما يتم تعريف تكاثف الحمض النووي على أنه "انهيار سلاسل الحمض النووي الممتدة إلى جزيئات مضغوطة ومنظمة تحتوي على جزيء واحد أو عدد قليل فقط". [3] ينطبق هذا التعريف على العديد من المواقف في المختبر وهو قريب أيضًا من تعريف تكاثف الحمض النووي في البكتيريا على أنه "اعتماد حالة مضغوطة ومركزة نسبيًا تشغل جزءًا من الحجم المتاح". [4] في حقيقيات النوى ، يكون حجم الحمض النووي وعدد اللاعبين الآخرين المشاركين أكبر بكثير، ويشكل جزيء الحمض النووي ملايين جزيئات البروتين النووي المنظمة، النيوكليوزومات ، والتي تعد مجرد المستوى الأول من مستويات عديدة لتكديس الحمض النووي. [1]
في الحياة
في الفيروسات
في الفيروسات والبكتيريا العاثية ، يحيط غلاف بروتيني بالحمض النووي أو الحمض النووي الريبوزي ، وأحيانًا يغلفه غشاء دهني . يتم تخزين الحمض النووي مزدوج السلسلة داخل الغلاف على شكل بكرة، والتي يمكن أن يكون لها أنواع مختلفة من اللف مما يؤدي إلى أنواع مختلفة من التعبئة البلورية السائلة . يمكن أن يتغير هذا التعبئة من سداسي إلى كولسترولي إلى متساوي الخواص في مراحل مختلفة من عمل البكتيريا العاثية. على الرغم من أن الحلزونات المزدوجة تكون دائمًا محاذية محليًا، فإن الحمض النووي داخل الفيروسات لا يمثل بلورات سائلة حقيقية ، لأنه يفتقر إلى السيولة. من ناحية أخرى، فإن الحمض النووي المكثف في المختبر ، على سبيل المثال، بمساعدة البوليامينات الموجودة أيضًا في الفيروسات، يكون منظمًا محليًا وسائلاً. [1]
في البكتيريا
يتم تعبئة الحمض النووي للبكتيريا بمساعدة البوليامينات والبروتينات التي تسمى البروتينات المرتبطة بالنوكليويد . يشغل الحمض النووي المرتبط بالبروتين حوالي 1/4 من الحجم داخل الخلايا ويشكل طورًا لزجًا مركّزًا بخصائص بلورية سائلة، تسمى النوكليويد. أشارت أبحاث أخرى أيضًا إلى أن جينوم البكتيريا يشغل حوالي 10-15٪ من حجم البكتيريا. [ 5] توجد أيضًا عبوات DNA مماثلة في البلاستيدات الخضراء والميتوكوندريا . يشار إلى الحمض النووي للبكتيريا أحيانًا باسم الكروموسوم البكتيري . يمثل التطور النووي للبكتيريا حلاً هندسيًا وسيطًا بين تعبئة الحمض النووي الخالية من البروتين في الفيروسات والتعبئة المحددة بالبروتين في حقيقيات النوى. [1]
تُحفز الظروف المجهدة الكروموسومات الشقيقة في بكتيريا الإشريكية القولونية على التكاثف والخضوع للاقتران. [6] يحدث التكاثف الناجم عن الإجهاد من خلال تقارب غير عشوائي يشبه السحاب للكروموسومات الشقيقة. يبدو أن هذا التقارب يعتمد على قدرة جزيئات الحمض النووي المزدوجة السلسلة المتطابقة على تحديد بعضها البعض على وجه التحديد، وهي العملية التي تتوج بقرب المواقع المتجانسة على طول الكروموسومات المزدوجة. يبدو أن ظروف الإجهاد المتنوعة تعمل على تحضير البكتيريا للتعامل بشكل فعال مع أضرار الحمض النووي الشديدة مثل كسر السلسلة المزدوجة. يساعد تقريب المواقع المتجانسة المرتبطة بتكثيف الكروموسوم الناجم عن الإجهاد في تفسير كيفية حدوث إصلاح كسر السلسلة المزدوجة والأضرار الأخرى. [6]
في حقيقيات النوى
يجب أن يكون الحمض النووي حقيقي النواة بطول نموذجي يبلغ عشرات السنتيمترات معبأ بشكل منظم بحيث يمكن الوصول إليه بسهولة داخل النواة بحجم الميكرومتر. في معظم حقيقيات النوى، يتم ترتيب الحمض النووي في نواة الخلية بمساعدة الهستونات. في هذه الحالة، يكون المستوى الأساسي لضغط الحمض النووي هو النوكليوزوم، حيث يلتف الحلزون المزدوج حول ثماني الهستونات التي تحتوي على نسختين من كل من الهستونات H2A و H2B و H3 و H4 . يربط الهستون الرابط H1 الحمض النووي بين النوكليوزومات ويسهل تعبئة سلسلة "الخرز على الخيط" التي يبلغ طولها 10 نانومتر في ألياف أكثر كثافة بطول 30 نانومتر. في معظم الأحيان، بين انقسامات الخلايا، يتم تحسين الكروماتين للسماح بسهولة وصول عوامل النسخ إلى الجينات النشطة ، والتي تتميز ببنية أقل إحكامًا تسمى اليوكروماتين ، ولتخفيف وصول البروتين في المناطق المعبأة بشكل أكثر إحكامًا والتي تسمى الهيتروكروماتين . أثناء انقسام الخلايا، يزداد ضغط الكروماتين بشكل أكبر لتكوين الكروموسومات ، والتي يمكنها التعامل مع القوى الميكانيكية الكبيرة التي تسحبها إلى كل من الخليتين الابنتين. [1] يتم التحكم في العديد من جوانب النسخ عن طريق التعديل الكيميائي على بروتينات الهيستون، والمعروفة باسم شفرة الهيستون .
تلعب سقالة الكروموسوم دورًا مهمًا في تثبيت الكروماتين في كروموسوم مضغوط. تتكون سقالة الكروموسوم من بروتينات بما في ذلك الكوندينسين ، توبوإيزوميراز IIα وعضو عائلة كينيسين 4 (KIF4) [7]
الدياتومات هي كائنات حقيقية النواة متباينة للغاية من حيث كيفية تعبئة حمضها النووي. يتم تعبئة كروموسوماتها في حالة بلورية سائلة. [8] لقد فقدت العديد من جينات الهيستون المحفوظة، باستخدام البروتينات النووية الفيروسية الدياتومات (DVNPs) أو البروتينات الشبيهة بالهيستون الدياتومات المشتقة من البكتيريا (HLPs) للتعبئة بدلاً من ذلك. من غير المعروف كيف تتحكم في الوصول إلى الجينات؛ تلك التي تحتفظ بالهيستون لها شفرة هيستون خاصة . [9] [10]
في العصور القديمة
اعتمادًا على الكائن الحي، قد يستخدم العتائق نظام HU يشبه البكتيريا أو نظام نووي يشبه حقيقيات النوى للتغليف. [11]
في المختبر
يمكن إحداث تكاثف الحمض النووي في المختبر إما عن طريق تطبيق قوة خارجية لتقريب الحلزونات المزدوجة معًا، أو عن طريق إحداث تفاعلات جاذبة بين أجزاء الحمض النووي. يمكن تحقيق الأول على سبيل المثال بمساعدة الضغط الاسموزي الذي تمارسه البوليمرات المحايدة المزدحمة في وجود أملاح أحادية التكافؤ. في هذه الحالة، تأتي القوى التي تدفع الحلزونات المزدوجة معًا من تصادمات عشوائية إنتروبيا مع البوليمرات المزدحمة المحيطة بمكثفات الحمض النووي، ويكون الملح مطلوبًا لتحييد شحنات الحمض النووي وتقليل تنافر الحمض النووي مع الحمض النووي. يمكن تحقيق الاحتمال الثاني عن طريق إحداث تفاعلات جاذبة بين أجزاء الحمض النووي بواسطة ربيطات مشحونة بالكاتيونات متعددة التكافؤ ( أيونات معدنية متعددة التكافؤ ، كاتيونات غير عضوية ، بولي أمينات ، بروتامينات ، ببتيدات ، دهون ، ليبوزومات وبروتينات ) . [1]
الفيزياء
إن تكاثف الحمض النووي الحلزوني المزدوج الطويل هو انتقال طوري حاد ، يحدث ضمن فترة ضيقة من تركيزات عامل التكثيف.[ref] ونظرًا لأن الحلزونات المزدوجة تقترب جدًا من بعضها البعض في الطور المكثف، فإن هذا يؤدي إلى إعادة هيكلة جزيئات الماء، مما يؤدي إلى ظهور ما يسمى بقوى الترطيب.[ref] لفهم الجاذبية بين جزيئات الحمض النووي المشحونة سلبًا، يجب علينا أيضًا مراعاة الارتباطات بين الأيونات المضادة في المحلول.[ref] يمكن أن يُظهر تكاثف الحمض النووي بواسطة البروتينات ظاهرة الهستيريسيس، والتي يمكن تفسيرها باستخدام نموذج إيزينج المعدل . [12]
الدور في تنظيم الجينات
في الوقت الحاضر، تعتمد أوصاف تنظيم الجينات على تقريبات الارتباط بالتوازن في المحاليل المخففة ، على الرغم من أنه من الواضح أن هذه الافتراضات تنتهك في الواقع في الكروماتين . يتم انتهاك تقريب المحلول المخفف لسببين. أولاً، محتوى الكروماتين بعيد كل البعد عن كونه مخففًا، وثانيًا، تكون أعداد الجزيئات المشاركة صغيرة جدًا في بعض الأحيان، بحيث لا يكون من المنطقي التحدث عن التركيزات الإجمالية. تنشأ المزيد من الاختلافات عن المحاليل المخففة بسبب اختلاف تقارب ارتباط البروتينات بالحمض النووي المكثف وغير المكثف. وبالتالي في الحمض النووي المكثف يمكن تغيير معدلات التفاعل وقد يصبح اعتمادها على تركيزات المتفاعلات غير خطي. [1]
انظر أيضا
مراجع
- ^ abcdefghi Teif, VB; Bohinc, K (2011). "الحمض النووي المكثف: تكثيف المفاهيم". التقدم في الفيزياء الحيوية وعلم الأحياء الجزيئي . 105 (3): 208–22. doi :10.1016/j.pbiomolbio.2010.07.002. PMID 20638406.
- ^ بلومفيلد، فيرجينيا (1996). "تكثيف الحمض النووي". الرأي الحالي في علم الأحياء البنيوي . 6 (3): 334-41. doi :10.1016/S0959-440X(96)80052-2. PMID 8804837.
- ^ بلومفيلد، فيرجينيا (1997). "تكثيف الحمض النووي بواسطة الكاتيونات متعددة التكافؤ". البوليمرات الحيوية . 44 (3): 269–82. CiteSeerX 10.1.1.475.3765 . doi :10.1002/(SICI)1097-0282(1997)44:3<269::AID-BIP6>3.0.CO;2-T. PMID 9591479.
- ^ Zimmerman, SB; Murphy, LD (1996). "الازدحام الجزيئي الكبير والتكثيف الإلزامي للحمض النووي في البكتيريا". رسائل FEBS . 390 (3): 245–8. Bibcode :1996FEBSL.390..245Z. doi : 10.1016/0014-5793(96)00725-9 . PMID 8706869.
- ^ Dame, Remus T.; Tark-Dame, Mariliis (يونيو 2016). "الكروماتين البكتيري: وجهات نظر متقاربة بمقاييس مختلفة". الرأي الحالي في علم الأحياء الخلوي . 40 : 60–65. doi :10.1016/j.ceb.2016.02.015. ISSN 1879-0410. PMID 26942688.
- ^ ab Shechter N, Zaltzman L, Weiner A, Brumfeld V, Shimoni E, Fridmann-Sirkis Y, Minsky A (2013). "التكثيف الناجم عن الإجهاد للجينومات البكتيرية يؤدي إلى إعادة اقتران الكروموسومات الشقيقة: الآثار المترتبة على إصلاح كسر الحمض النووي ذي السلسلة المزدوجة". J. Biol. Chem . 288 (35): 25659–67. doi : 10.1074/jbc.M113.473025 . PMC 3757227. PMID 23884460 .
- ^ سقالة الكروموسوم عبارة عن مجموعة من البروتينات ذات السلسلة المزدوجة، بقلم بونبيرم وآخرين، تقارير علمية من مجلة نيتشر
- ^ Chow, MH; Yan, KTH; Bennett, MJ; Wong, JTY (2010). "الازدواجية الانكسار وتكثيف الحمض النووي للكروموسومات البلورية السائلة". Eukaryotic Cell . 9 (10): 1577–87. doi :10.1128/EC.00026-10. PMC 2950428. PMID 20400466 .
- ^ مارينوف جي كيه، لينش إم (2016). "تنوع وتباعد بروتينات الهيستون في الدياتومات". جي 3 (بيثيسدا) . 6 (2): 397-422. doi :10.1534/g3.115.023275. PMC 4751559. PMID 26646152 .
- ^ Riaz, S; Sui, Z; Niaz, Z; Khan, S; Liu, Y; Liu, H (14 ديسمبر 2018). "السمات النووية المميزة للدينوفلاجيلات مع التركيز بشكل خاص على الهيستون وبروتينات استبدال الهيستون". الكائنات الحية الدقيقة . 6 (4): 128. doi : 10.3390/microorganisms6040128 . PMC 6313786. PMID 30558155 .
- ^ Luijsterburg, Martijn S.; White, Malcolm F.; van Driel, Roel; Dame, Remus Th. (8 January 2009). "المهندسون الرئيسيون للكروماتين: البروتينات المعمارية في البكتيريا والعتائق وحقيقيات النوى". المراجعات النقدية في الكيمياء الحيوية وعلم الأحياء الجزيئي . 43 (6): 393-418. doi :10.1080/10409230802528488. PMID 19037758. S2CID 85874882.
- ^ Vtyurina, Natalia N.; Dulin, David; Docter, Margreet W.; Meyer, Anne S.; Dekker, Nynke H.; Abbondanzieri, Elio A. (2016-04-18). "Hysteresis in DNA compaction by Dps is described by an Ising model". وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم . 113 (18): 4982–4987. Bibcode :2016PNAS..113.4982V. doi : 10.1073/pnas.1521241113 . ISSN 0027-8424. PMC 4983820. PMID 27091987 .
قراءة إضافية
- Gelbart WM؛ Bruinsma R.؛ Pincus PA؛ Parsegian VA (2000). "الكهرباء الساكنة المستوحاة من الحمض النووي". Physics Today . 53 (9): 38. Bibcode :2000PhT....53i..38G. doi : 10.1063/1.1325230 .
- Strey HH؛ Podgornik R.؛ Rau DC؛ Parsegian VA (1998). "تفاعلات الحمض النووي DNA". الرأي الحالي في علم الأحياء البنيوي . 8 (3): 309-313. doi :10.1016/s0959-440x(98)80063-8. PMID 9666326.
- Schiessel H (2003). "فيزياء الكروماتين". J. Phys.: Condens. Matter . 15 (19): R699–R774. arXiv : cond-mat/0303455 . Bibcode :2003JPCM...15R.699S. doi :10.1088/0953-8984/15/19/203. S2CID 250893202.
- Vijayanathan V.؛ Thomas T.؛ Thomas TJ (2002). "جسيمات الحمض النووي النانوية وتطوير مركبات توصيل الحمض النووي للعلاج الجيني". الكيمياء الحيوية . 41 (48): 14085-14094. doi :10.1021/bi0203987. PMID 12450371.
- يوشيكاوا ك (2001). "التحكم في البنية ذات الترتيب الأعلى لجزيئات الحمض النووي العملاقة". مراجعات توصيل الأدوية المتقدمة . 52 (3): 235-244. doi :10.1016/s0169-409x(01)00210-1. PMID 11718948.
- Hud NV؛ Vilfan ID (2005). "مكثفات الحمض النووي الحلقي: كشف البنية الدقيقة ودور التبلور في تحديد الحجم". Annu Rev Biophys Biomol Struct . 34 : 295–318. doi :10.1146/annurev.biophys.34.040204.144500. PMID 15869392.
- يوشيكاوا، ك.، ويوشيكاوا. 2002. ضغط وتكثيف الحمض النووي. في وجهات النظر الصيدلانية للعلاجات القائمة على الأحماض النووية. ر. آي. ماهاتو، وس. دبليو. كيم، المحررون. تايلور وفرانسيس. 137-163.
| ملخص |
| ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| هندسة |
| ||||||
| |||||||
